CN104913858A

CN104913858A - 一种数据采集装置,探测装置以及系统

Info

Publication number: CN104913858A
Application number: CN201510290701.8A
Authority: CN
Inventors: 王晓东; 于钟德
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明公开了一种数据采集装置，探测装置以及系统，该系统包括：探测装置、释放装置和上位机。其中，释放装置与探测装置间采用并行通讯采样数据；释放装置用于连接探测装置和上位机；该探测装置用于获取压力信号和温度信号，并将压力信号和温度信号放大后分别转换为第一数字信号和第二数字信号发送到上位机中，上位机用于接收探测装置发送的第一数字信号和第二数字信号，根据第一数字信号和第二数字信号绘制海洋温度剖面。本发明中利用多芯线缆，以并行通讯的方式将温度探测装置中采集的数据实时的上传至上位机，从而解决了需要通过探头下降时间估计海洋深度的问题，并且，对探头的下降速度及投放方式没有任何的限制。

Description

一种数据采集装置,探测装置以及系统

技术领域

本发明涉及海洋环境信息监测技术领域，尤其涉及一种数据采集装置，探测装置以及系统。

背景技术

投弃式温度探头(expendable bathythermograph，简称XBT)，可以在不影响船舰航行状态下，快速获取海洋温度剖面，用来解决船舰在机动状态下的海洋环境参数测量问题，同时也是海洋调查、水声探测等方面非常重要的测量装备和测量手段。

XBT主要由姿态控制部件、温度传感器、信号传输线等组成。探头上的姿态控制部件，使探头按照一定的规律在海水中下降。投放XBT后，当探头到达海面时，数据采集板上的计时器开始计时，这样由探头的下降速度和下降时间，就可以计算出探头在海水中的深度值；同时，装在探头前端的温度传感器，把海水的温度值按一定的规律，转换成相应的电阻值，并通过信号传输线，把温度传感器的电阻值，实时地传输到数据采集器中用于采样。根据电阻值就可以计算出当前海水的温度值，从而得到海水的温度深度剖面。然而，这种利用水面采集系统采集探头中温度传感器的阻值，海洋深度数据通过探头下降时间估计得到的方式所获得的深度数据精度不够，重复性与一致性也较差。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种数据采集装置，探测装置以及系统，利用多芯线缆，以并行通讯的方式可以将温度和深度探测装置中分别获取的与海洋温度、深度的相关数据实时的传递给上位机，并通过上位机实时计算海洋温度信息以及海洋深度信息，从而解决了需要通过探头下降时间估计海洋深度的问题，并且，对探头的下降速度及投放方式没有任何的限制。

第一方面，本发明提供了一种数据采集装置，该装置包括：压力采集模块压力采集模块、温度采集模块温度采集模块温度采集模块、处理模块、调理放大电路和接口模块；其中，

压力采集模块用于获取压力信号；并将压力信号发送给调理放大电路；

温度采集模块温度采集模块用于获取温度信号；并将温度信号发送给调理放大电路；

调理放大电路将接收的压力信号和温度信号进行放大处理；

处理模块将放大处理后的压力信号转换为第一数字信号，以及将放大处理后的温度信号转换为第二数字信号；

处理器模块通过接口模块进行传输。

优选地，处理模块包括：接收单元，转换单元以及第一发送单元；其中，

接收单元用于接收放大处理后的所述压力信号和放大处理后的所述温度信号；

转换单元用于分别将放大处理后的所述压力信号和放大处理后的所述温度信号转换为第一数字信号以及第二数字信号；

第一发送单元用于将第一数字信号以及第二数字信号发送给接口模块。

优选地，压力采集模块包括：压力采集单元以及第二发送单元；

压力采集单元用于采集压力信号，输出压力信号；

第二发送单元用于将压力信号发送给调理放大电路。

优选地，温度采集模块具体包括：温度采集单元以及第三发送单元；

温度采集单元用于采集温度信号，输出温度信号；

第三发送单元用于将温度信号发送给调理放大电路。

优选地，该装置还包括：电源管理模块和电池；

处理模块通过电源管理模块为各模块的电路供电；

电池受控于所述电源管理单元。

第二方面，本发明提供了一种探测装置，该装置包括如上述介绍的数据采集装置。

第三方面，本发明提供了一种探测系统，该系统包括如上述介绍的探测装置、释放装置以及上位机；其中，

释放装置与上述介绍的探测装置采用并行通讯方式进行数据传输；

探测装置将第一数字信号和第二数字信号经过释放装置传递给上位机；

上位机用于接收第一数字信号和第二数字信号，并根据第一数字信号和第二数字信号绘制海洋温度剖面。

优选地，释放装置与探测装置之间通过多芯线缆通信，多芯线缆包括n+4条线路，其中，一条为地线、两条为控制线以及n+1条数据线。

本发明提供的一种数据采集装置，探测装置以及系统，利用多芯线缆，以并行通讯的方式可以将温度探测装置中分别获取的与海洋温度、深度的相关数据实时的传递给上位机，并通过上位机实时计算海洋温度信息以及海洋深度信息，从而解决了需要通过探头下降时间估计海洋深度的问题，并且，对探头的下降速度及投放方式没有任何的限制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种数据采集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种数据采集装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种探测系统的结构示意图；

图4为压力采集模块压力采集模块结构示意图；

图5为温度采集模块温度采集模块示意图；

图6为压力采集模块中的压力采集单元电路图；

图7为温度采集模块中的温度采集单元电路图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种数据采集装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：

压力采集模块10、温度采集模块20、调理放大电路30，处理模块40、和接口模块50；

压力采集模块10包括压力采集单元101和第二发送单元102(如图4所示)。压力采集单元用101于输出压力信号；第二发送单元102用于将压力信号发送至调理放大电路30。温度采集模块20包括温度采集单元201和第三发送单元202(如图5所示)。温度采集单元201用于输出温度信号，第三发送单元202用于将温度信号发送至调理放大电路30。

需要说明的是，其中压力采集模块中的第二发送单元102和温度采集模块中的第三发送单元202可以通过上位机控制，使压力采集模块中的第二发送单元102和温度采集模块中的第三发送单元202分时段的将压力信号和温度信号分别发送至调节放大电路30中。例如：压力采集模块中的第二发送单元102在第一时间段将压力信号发送至调理放大电路中；第二时间段，温度采集模块中的第三发送单元202将温度信号发送至调理放大电路中，以此类推。调理放大电路30分别接收压力采集模块10中的第二发送单元102发送的压力信号，以及温度采集模块20中的第三发送单元202发送的温度信号进行放大调节后，输出放大后的压力信号和放大后的温度信号。处理模块40又包括了接收单元，转换单元以及第一发送单元。处理模块40中的接收单元包括两个接收通道，用于分别接收调理放大电路30输出的放大后的压力信号和放大后的温度信号；处理模块40中的转换单元(本实施例中以A/D转换器为例)将会分时间段的分别转换到处理模块40的接收单元两个通道中，将放大后的压力信号和放大后的温度信号分别转换为第一数字信号和第二数字信号。处理模块40中的第一发送单元将第一数字信号和第二数字信号进行分字节传送至接口模块50，通过接口模块50进行数据传输(可以根据需要，自行设置每一数据帧中的对于第一数字信号和第二数字信号的字节分配，例如，在一个数据帧中前几个字节为第一数字信号，余下字节为第二数字信号)。

图2为本发明实施例提供的另一种数据采集装置的结构示意图。如图2所示，该装置还包括：电源管理模块60、电池70、压力采集模块压力采集模块10、温度采集模块温度采集模块20、调理放大电路30，处理模块40、和接口模块50；

处理模块40通过电源管理模块60为各模块的电路供电；电池70受控于所述电源管理单元。

图3为本发明实施例提供的一种探测系统的结构示意图；如图3所示，该系统包括探测装置301、释放装置302以及上位机303。

释放装置302与探测装置301采用并行通讯方式进行数据传输；

探测装置301将第一数字信号和第二数字信号经过释放装置302传递给上位机303；

上位机303用于接收第一数字信号和第二数字信号，并根据第一数字信号和第二数字信号绘制海洋温度剖面。

具体地，释放装置302与探测装置301之间通过多芯线缆通信，多芯线缆包括n+4条线路，其中，一条为地线、两条为控制线以及n+1条数据线。

需要说明的是，上位机303按照一定的规则将第一数据信号和第二数据信号在数据帧中解析后，将第一数字信号(二进制)转换为第一数值(第一数字信号的十进制形式，同时也是放大后的压力信号的数字显示形式)，根据第一数值计算海洋深度信息，将第二数字信号(二进制)转换为第二数值(第二数字信号的十进制形式，同时也是放大后的温度信号的数字显示形式)，根据第二数值计算海洋温度信息。

具体的，因为第一数值与海洋的深度成线性关系，所以根据一定的比例关系，上位机303可以通过第一数值计算出海洋的深度信息。

同样，上位机303根据第二数值计算温度传感器中的热敏电阻的阻值，根据热敏电阻的阻值，通过热敏电阻的阻值—温度曲线常用Steinhart-Hart方程进行拟合：

1/T＝A+Bln(R)+C(lnR)³ (1-1)

式中:

T—绝对温度(K°)；

R—热敏电阻的阻值(Ω)

A,B,C—曲线拟合的常数。

在所需的测温范围内选取三个温度点即可确定方程中的常数项。在实际应用中往往取更多温度点进行校准，可以得到更精确的拟合曲线。进而相应的计算出海洋的温度信息。

图6为本发明提供的压力采集模块中的探测单元电路图，图6所示，压力采集单元101采集压力信号，并将压力信号输入到调节放大电路30中；

调节放大电路30具体用于将压力信号进行放大，输出放大后的压力信号。其中，调节放大电路30包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、数字电位器(图中未示出)以及电阻R1～R9；

压力传感器(本图中并未标出压力传感器，压力传感器的四端分别对应连接电源VO1的四个端子，即4v端子连接电源VO1的4V端子，VO+、VO-分别对应连接压力传感器的两个输出端，接地端子连接电源VO1的接地端子，并通过VO1的接地端子接地，所以图中的VO1的4个端子可以视为压力传感器的4个连接端子)的正4V端子连接电阻R1的第一端与电阻R2的第一端之间的结点；正输出端与负输出端分别连接第一运算放大器的正输入端与第二运算放大器的正输入端；压力传感器的接地端子接地；电阻R1的第二端通过数字电位器的第一通道与第一运算放大器的负输入端相连接(图中L0与H0之间为数字电位器的第一通道，数字电位器在图中并未标出)；电阻R2的第二端与第二运算放大器的负输入端相连接；电阻R3的第一端连接电阻R2与所述第二运算放大器负输入端之间的结点；电阻R3的第二端通过数字电位器的第二通道与第一运算放大器的负输入端相连接(图中L1与H0之间为数字电位器的第二通道，数字电位器在图中并未标出)；第一运算放大器的负输入端通过电阻R4与该运算放大器的输出端相连接，电阻R5的第一端与第二运算放大器的负输入端相连接，第二端与第二运算放大器的输出端相连接；电阻R6的第一端与第二运算放大器的输出端和电阻R5的第二端之间的节点相连接；电阻R6的第二端与第三运算放大器的负输入端相连接；电阻R7的第一端与第一运算放大器的输出端和电阻R4之间的结点相连接；第二端与第三运算放大器的正输入端连接；第三运算放大器的正输入端还连接电阻R9的第一端；负输入端连接电阻R8的第一端；第三运算放大器的输出端连接电阻R8的第二端；电阻R9的第二端接地。

此外，压力采集单元还包括：第一恒压源(4V)以及第二恒压源(1.8V)；第一恒压源，用于为压力采集单元中除了第三运算放大器以外的所有电路提供电压；第二恒压源，用于为第三运算放大器提供电压。

需要说明的是上述所介绍的数字电位器的主要作用是为了调整该电路中的零点和满量程输出，第一通道的电阻和第二通道中的电阻可以分别记为Rd0和Rd1。

其中，输出放大后的压力信号Vp的具体表达式如下式所示：

V_{P} = \frac{R_{4} + R_{5}}{R_{3} + R_{d 1}} \cdot \frac{R_{9}}{R_{7}} (V_{o +} - V_{o -}) - - - (2 - 1)

由于所求出的放大后的压力信号的数值Vp与海洋的深度成线性关系，所以当上位机获取放大后的压力信号的数值Vp时，就可以相应的计算出海洋的深度。

图7为本发明提供的温度采集模块中的温度采集单元电路图，如图7所示，温度传感器用于将海洋温度转换为温度信号；调理放大电路用于对温度信号进行调制放大，输出放大后的温度信号。

其中，温度采集单元电路(即调理放大电路与温度传感器共同组成的电路)具体包括：第三恒压源，电阻R14～R17以及电阻R19，温度传感器RT1，第四运算放大器以及第五运算放大器；

第三恒压源(1.8V)的输出端分别连接电阻R15的第一端，第四运算放大器的电源端子中的正极输入端，以及电阻R17的第一输入端；电阻R15的第二端连接电阻R14的第一端；电阻R14的第二端接地；第四运算放大器的正输入端连接至电阻R15与电阻R14之间的结点；第四运算放大器的负输入端连接该运算放大器的输出端与电阻R16第一端之间的结点；第四运算放大器的电源端子中的负输入端接地；

电阻R16的第二端连接至第五运算放大器的负输入端与电阻R19第一端之间的结点；

电阻R17的第二端连接至第五运算放大器的正输入端与温度传感器RT1第一端之间的结点；

温度传感器RT1的第二端接地；

第五运算放大器的输出端连接至电阻R19的第二端。

根据该电路输出的放大后的温度信号Vout的具体表达式如下式所示：

V_{out} = [(1 + \frac{R_{14}}{R_{12}}) \cdot \frac{R_{T 1}}{R_{13} + R_{T 1}} - \frac{R_{14}}{R_{12}} \cdot \frac{R_{11}}{R_{10} + R_{11}}] \cdot 1.8 V - - - (3 - 1)

由式3-1可以看出，合理调整各电阻的阻值，就可以将输出电压限定在0V至A/D的满刻度输入范围内。该式还说明除R17(R17为低温漂电阻，当温度变化较大时，电阻值也几乎不会发生改变)以外，如果其他各电阻元件具有相同的温度系数，则不会影响测量结果。但R17须选用温度系数小、性能稳定的金属膜电阻。选择低温漂、低噪声的运算放大器对于保证测量稳定性和精度是有益的。

需要说明的是，第三恒压源的电压为1.8V，该恒压源作为温度传感器RT1的激励电源，同时该恒压源提供温度测量时的A/D转换器的基准参考电压。这样的设计消除了激励源变化对A/D输出结果的影响，从而降低了对基准电源的要求，提高了测量的稳定性。并且，温度传感器RT1上串联一个电阻R17，用于限制流过温度传感器的电流，减小自发热导致的测量误差。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种数据采集装置，其特征在于，所述装置包括：压力采集模块、温度采集模块、处理模块、调理放大电路和接口模块；其中，

所述压力采集模块用于获取压力信号；并将所述压力信号发送给所述调理放大电路；

所述温度采集模块用于获取温度信号；并将所述温度信号发送给所述调理放大电路；

所述调理放大电路将接收的所述压力信号和所述温度信号进行放大处理；

所述处理模块将放大处理后的所述压力信号转换为第一数字信号，以及将放大处理后的所述温度信号转换为第二数字信号；

所述处理器模块通过所述接口模块进行传输。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理模块包括：接收单元，转换单元以及第一发送单元；其中，

所述接收单元用于接收所述放大处理后的所述压力信号和所述放大处理后的所述温度信号；

所述转换单元用于分别将所述放大处理后的所述压力信号和所述放大处理后的所述温度信号转换为第一数字信号以及第二数字信号；

所述第一发送单元用于将所述第一数字信号以及所述第二数字信号发送给所述接口模块。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力采集模块包括：压力采集单元以及第二发送单元；其中，

所述压力采集单元用于采集压力信号，输出所述压力信号；

所述第二发送单元用于将所述压力信号发送给所述调理放大电路。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度采集模块具体包括：温度采集单元以及第三发送单元；其中，

所述温度采集单元用于采集温度信号，输出所述温度信号；

所述第三发送单元用于将所述温度信号发送给所述调理放大电路。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括：电源管理模块和电池；

所述处理模块通过所述电源管理模块为各模块的电路供电；

所述电池受控于所述电源管理单元。

6.一种探测装置，其特征在于，包括：如权利要求1所述的数据采集装置。

7.一种探测系统，其特征在于，所述系统包括：如权利要求6所述的探测装置、释放装置以及上位机；其中，

所述释放装置与所述探测装置采用并行通讯方式进行数据传输；

所述探测装置将所述第一数字信号和所述第二数字信号经过所述释放装置传递给所述上位机；

所述上位机用于接收所述第一数字信号和所述第二数字信号，并根据所述第一数字信号和所述第二数字信号绘制海洋温度剖面。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述释放装置与所述探测装置之间通过多芯线缆通信，所述多芯线缆包括n+4条线路，其中，一条为地线、两条为控制线以及n+1条数据线。